RU2038655C1

RU2038655C1 - High-temperature superconductive epitaxial structure

Info

Publication number: RU2038655C1
Authority: RU
Inventors: Б.Л. Кривц; Е.П. Лимитовский
Original assignee: Научно-исследовательский институт материалов электронной техники
Priority date: 1992-05-28
Filing date: 1992-05-28
Publication date: 1995-06-27

Abstract

FIELD: electronics. SUBSTANCE: for liquid-phase growth of high-temperature superconductive structures there is used substrate which plane of growth surface is deviated from crystallographic plane by angle 1-5 deg. Homogeneity of phase and stoichiometric composition of film is ensured by better correspondence of parameters of substrate lattice and of grown layer. LaGaO₃(001), Mg(100), NdGaO₃(001) are used as substrate. Films grown with specified deviation of growth surface from crystallographic plane display high physical parameters (junction temperature T_j=80-86 K, junction width T_j.w= 2-4 K) and due to this produced structure may be successfully used in manufacture of electronic devices. EFFECT: expanded application field. 1 tbl

Description

Изобретение относится к технологии производства высокотемпературных сверхпроводящих материалов, а именно пленок высокотемпературных свеpхпроводников (ВТСП) на основе Bi-Sr-Ca-Cu-O, которые могут быть использованы при изготовлении приборов электронной техники. The invention relates to a technology for the production of high-temperature superconducting materials, namely, films of high-temperature superconductors (HTSC) based on Bi-Sr-Ca-Cu-O, which can be used in the manufacture of electronic devices.

Важнейшими характеристиками ВТСП-структур являются температура сверхпроводящего перехода (Т_с.п.) и ширина перехода ( ΔТ_с), значения которых во многом определяются фазовым и стехиометрическим составом, а также степенью структурного совершенства пленки, что, в свою очередь, существенно зависит от используемой подложки.The most important characteristics of HTSC structures are the temperature of the superconducting transition (T _c.p. ) and the transition width (ΔT _s ), the values of which are largely determined by the phase and stoichiometric composition, as well as the degree of structural perfection of the film, which, in turn, substantially depends on used substrate.

В технологии получения ВТСП-структур наряду с другими используется метод жидкофазной эпитаксии. In the technology for producing HTSC structures, along with others, the method of liquid-phase epitaxy is used.

В качестве подложки при выращивании структур ВТСП применяются материалы с параметрами кристаллической решетки, близкими к параметрам решетки пленки, такие как MgO, SrTiO₃, LaAlO₃, LaCuO₃ [1, 2] а также традиционные для микроэлектроники подложки из Gd₃Ga₅O₁₂ (ГГГ) [3]
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является решение [4] в соответствии с которым методом жидкофазной эпитаксии получают пленки состава Bi-Sr-Ca-Cu-O на подложке LaGaO₃, ростовая поверхность которой строго ориентирована по кристаллографической плоскости (001). Применение данной подложки обусловлено близостью параметров ее кристаллической решетки (а 5,519

; b 5,494

; с 7,770

) параметрам решетки ВТСП cостава Bi₂Sr₂CaCu₂O₈. В результате были получены эпитаксиальные поликристаллические пленки с температурой перехода Т_с.п. 78 К и шириной перехода ΔT_c≥ 7 К.Materials with crystal lattice parameters close to the film lattice parameters, such as MgO, SrTiO ₃ , LaAlO ₃ , LaCuO ₃ [1, 2] and also traditional for microelectronics substrates from Gd ₃ Ga ₅ O _12, are used as a substrate for growing HTSC structures. (YYY) [3]
The closest in technical essence to the proposed solution is [4] according to which films of Bi-Sr-Ca-Cu-O composition _{on a} LaGaO ₃ substrate, the growth surface of which is strictly oriented along the crystallographic plane (001), are obtained by liquid-phase epitaxy. The use of this substrate is due to the proximity of the parameters of its crystal lattice (a 5.519

; b 5,494

; from 7,770

) the lattice parameters of the HTSC composition Bi ₂ Sr ₂ CaCu ₂ O ₈ . As a result, epitaxial polycrystalline films with a transition temperature T _c.p. 78 K and a transition width ΔT _c ≥ 7 K.

К недостаткам структур, получаемых на таких подложках, можно отнести несплошность пленки, немонофазность и неравномерность стехиометрического состава по поверхности и, как следствие, большую ширину и низкую температуру перехода, что существенно сужает область применения рассмотренных структур. The disadvantages of the structures obtained on such substrates include the discontinuity of the film, non-monophasicity and non-uniformity of the stoichiometric composition on the surface and, as a result, a large width and low transition temperature, which significantly narrows the field of application of the considered structures.

Целью данного изобретения является улучшение физических параметров структур за счет повышения однородности фазового и стехиометрического состава пленки, а также улучшения структуры. The aim of this invention is to improve the physical parameters of structures by increasing the uniformity of the phase and stoichiometric composition of the film, as well as improving the structure.

Поставленная цель достигается тем, что для жидкофазного наращивания высокотемпературных сверхпроводящих структур используется подложка, плоскость ростовой поверхности которой отклонена от кристаллографической плоскости на 1-5^о. Однородность фазового и стехиометрического состава пленки обеспечивается лучшим соответствием параметров решетки подложки и наращиваемого слоя. При углах отклонения ≅ 1^о и ≥5^о несоответствия параметров решетки становятся существенными, что приводит к несплошности растущей пленки и ее немонофазности.The goal is achieved in that the liquid phase to increase high temperature superconducting structures used substrate, the growth plane of which surface is inclined from the crystallographic plane ^of 1-5. The uniformity of the phase and stoichiometric composition of the film is ensured by the best correspondence of the lattice parameters of the substrate and the layer to be grown. With deflection angles ≅ ^about 1 and ^about ≥5 lattice parameters mismatch becomes significant, resulting in discontinuities of the growing film and its nemonofaznosti.

Нами были опробованы подложки MgO ориентаций (100), LaGaO₃ориентации (001) и NdGaO₃ ориентации (001) с углами отклонения ростовой плоскости от кристаллографической в пределах 0,5-10^о, взятыми в последовательности 0,5; 1, 2, 3:10^о. Выбор материала подложек обуславливался кристаллографическим соответствием его материалу ВТСП с целью получения высококачественных пленок, имеющих высокую текстуру и стехиометрический состав. Исходя из этих соображений, не использовались подложки ГГГ.We have tested orientations MgO substrate (100), LaGaO ₃ orientation of (001) orientation and a NdGaO ₃ (001) from the deviation angles of crystallographic plane growth within ^about 0.5-10 taken in sequence 0.5; 1, 2, 3:10 ^about . The choice of substrate material was determined by the crystallographic correspondence of its HTSC material in order to obtain high-quality films having a high texture and stoichiometric composition. Based on these considerations, GGG substrates were not used.

Использовался процесс жидкофазного наращивания пленок ВТСП состава Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, который проходил следующим образом. Приготавливали шихту из растворителя на основе хлоридов щелочных металлов и предварительно синтезированного порошка ВТСП в соотношении, мас. растворитель: ВТСП 100:5. Исходную смесь загружали в платиновый тигель и помещали в печь, где смесь нагревалась до 900-910^оС и выдерживалась при этой температуре в течение 5-8 ч с целью гомогенизации раствора-расплава. Затем температуру понижали до 845^оС и проводили наращивание эпитаксиальной пленки ВТСП на медленно вращающуюся подложку при постоянной температуре в течение 120-180 мин. Затем структуру извлекали из расплава и охлаждали с печью.The process of liquid-phase growth of HTSC films of the composition Bi ₂ Sr ₂ CaCu ₂ O _{8 was used} , which was carried out as follows. A mixture was prepared from a solvent based on alkali metal chlorides and a previously synthesized HTSC powder in the ratio, wt. solvent: HTSC 100: 5. The initial mixture charged into a platinum crucible and placed in a furnace where the mixture is heated to 900-910 ^C and maintained at this temperature for 5-8 h to homogenize the molten solution. Then, the temperature was lowered to 845 ^{° C} and capacity of the epitaxial film was conducted HTS on a slowly rotating substrate at a constant temperature for 120-180 minutes. Then the structure was removed from the melt and cooled with the furnace.

Полученные структуры исследовались с помощью рентгенофазного, рентгеноструктурного и микроанализа. Было установлено, что при использовании подложек с углами отклонения в пределах 1-5^о пленки получались однофазными, стехиометрического состава, сплошными с хорошей текстурой и высоким структурным совершенством. Структуры, выращенные на подложках с углами отклонения ростовой плоскости от кристаллографической, выходящими за пределы указанного интервала (≅1; ≥5) обладали существенно худшими структурными свойствами. Пленки были немонофазными, несплошными, состав отклонялся от стехиометрического.The resulting structures were investigated using x-ray phase, x-ray diffraction and microanalysis. It was found that when using substrates with deviation angles within 1–5 °, ^the films were obtained single-phase, stoichiometric, continuous with a good texture and high structural perfection. Structures grown on substrates with angles of deviation of the growth plane from the crystallographic plane that fall outside the specified interval (≅1; ≥5) had significantly worse structural properties. The films were nonmonophasic, discontinuous, the composition deviated from the stoichiometric.

Физические параметры полученных структур (T_с.п., ΔТ_с) исследовали с помощью стандартного 4-зондового и бесконтактного методов в интервале температуре 300-4,2 К. Результаты измерений представлены в таблице.The physical parameters of the obtained structures (T _c.p. , ΔT _s ) were studied using standard 4-probe and non-contact methods in the temperature range 300-4.2 K. The measurement results are presented in the table.

Из таблицы видно, что оптимальный угол отклонения ростовой плоскости используемых подложек от кристаллографической составляет 1-5о, так как этот интервал обеспечивает получение структур, обладающих максимальной температурой перехода Т_с.п 80-86 К и минимальной шириной перехода ΔТ_с 2-4 К.The table shows that the optimal angle of deviation of the growth plane of the used substrates from the crystallographic one is 1-5 °, since this interval provides structures with a maximum transition temperature T _cp 80-86 K and a minimum transition width ΔТ _from 2-4 K.

По сравнению с прототипом пленки ВТСП, выращиваемые на подложках с указанным отклонением ростовой поверхности от кристаллографической плоскости, обладают существенно более высокими физическими параметрами Т_с.п. и ΔТ_с, вследствие чего получаемые структуры ВТСП могут с успехом применяться для изготовления приборов электронной техники: высокочувствительных болометров, приборов на эффекте Джозефсона, СКВИД, элементов межсоединений интегральных схем и т.д.Compared with the prototype, HTSC films grown on substrates with the indicated deviation of the growth surface from the crystallographic plane have significantly higher physical parameters T _cp and ΔТ _s , as a result of which the obtained HTSC structures can be successfully used for the manufacture of electronic devices: highly sensitive bolometers, Josephson effect devices, SQUID, elements of interconnects of integrated circuits, etc.

Claims

HIGH TEMPERATURE SUPERCONDUCTIVE EPITAXIAL STRUCTURE, consisting of a high-temperature superconductor of the Bi Sr Ca Cu O system corresponding to the crystal lattice and a substrate, the growth surface of which is oriented along the (001) crystallographic plane, characterized in that the plane of the growth surface of the substrate is made with a deviation from the plane 1 of the crystal plane with a plane angle of 1 5 ^o .